公路桥梁减、抗震防落梁系统研究

张建

摘 要：交通运输部门颁布了《公路桥梁抗震设计规范》，作为公路工程行业的标准规范，其中提到很多关于公路桥梁设计施工环节上的质量标准与安全规范，也全面加强了对公路桥梁减震、抗震功能的设计与规划。公路桥梁减、抗震防落梁系统的设计能够在绝大程度上为公路桥梁的安全提到保障作用，在面临地震灾害时也能更好的承受地震灾害所带来的冲击。基于此，本文就将针对公路桥梁减、抗震防落梁系统进行详细的分析与研究。

关键词：防落梁系统;限位装置;公路桥梁;分析;研究

中图分类号：U441.3 文献标识码：A

0 引言

目前，导致桥梁倒塌的重要原因就是由于桥梁上部结构的落梁倒塌，一旦地震之类的自然灾害发生时，地震所产生的力量足够将结构上的支座冲击毁坏，上部的结构也会从支承上方脱离坠落。而防落梁系统属于一种新型的减、抗震设计系统，也是对桥梁加固的最佳方法，防落梁系统主要是由梁搁置长度、限位装置以及连梁装置这三个部分组成，最主要的功能就是实质性的阻止公路桥梁的梁支承上方脱离坠落。防落梁系统的设计从某种程度上来说能够有效抑制震区桥梁在面临突发灾害时所造成的巨大经济损失与人员损失，也避免了灾后救援过程中对附近交通的二次破坏，对于人们的出行以及生命财产安全来说意义非凡。

1 公路桥梁减、抗震理论设计方法

对于人类而言，地震灾害一直都是潜在的危险因素之一，地震所引发的灾害后果可想而知，地震对于建筑物造成的损坏程度一直都是全人类关注的重点，这也激起了人们对抗震设计理念的应用。在人们对地震动与结构动力特性的理解不断深化后，在时代的发展下，越来越多的抗震设计理论诞生，这些抗震理论的应用，促使着公路桥梁在面临地震灾害时有了更强的应对能力。

1.1 静力法

静力法在抗震设计假设结构的各个部分中与地震力有着大径相同的振动原理，主要就是将地震运动加速，并引起一定的惯性力，也就是所谓的地震力，也可以视作静力作用在结构物体上展开结构线弹性的力计算，在这之中可列地震力计算公式：

在此公式中，W是结构总重量，K所代表的是地面运动加速后峰值和重力加速后G的比值，也可称之为地震系数。

按照动力学角度分析，弹性静力法在理论中有着一定的局限性，这是由于静力法将结构动力反应所忽略，导致局限性上调。也就说，只有结构物能相近于刚体时，弹性静力法才会成立。

1.2 反应谱法

随着早期反应谱法的概念诞生，也为整个世界创造出来了第一条弹性反应谱曲线，随着反应谱法的逐渐普及，反应谱法也被应用到结构抗震的设计标准中。而我国的抗震设计一般都是应用的中国科学院工程力学研究所在1973年所提出的标准反应谱，此谱也是按照国内外地震记录进行的数据汇总所制成的。反应谱法的分析方法可划分为两个步骤，第一个就是计算结构内的固有频率，第二则是计算结构在反应谱法作用下各个周期分段的频率变化。

另外，反应谱法计算的结果不会涵盖其它载荷，验算结构强度时需要计算其它的载荷，刚度大的结构通常都是低阶响应下的主要作用，其柔性结构则要更多的考虑高阶响应作用。而且，最重要的是，在反应谱法中，阻尼比值越小的结构则其反应就会越大。

1.3 能力设计方法

能力设计方法也被称为能量设计方法，能力设计法主要包括概念设计的结构布局合理选择，还需要确定地震中预期引发的弯曲塑性铰可靠位置，并确立结构的适当塑性耗能机制，更要选定好塑性耗能构建的抗弯曲设计方案，在后续的流程中估算好塑性铰区界面在发生变形时的最大范围及承受能力，最后要对整体的塑性铰区域的构造进行严密的计算设计，保障塑性铰区界面具有延伸性能力。

另外，在常规的静力强度设计方法相比较下，应用能力设计的方法来设计抗震结构能够有着明显的优势。塑性铰一般而言只会出现在预定好的结构内，这就可以选择相对适合的耗能机制，并且预期发生塑性铰的不同构件都能够进行专门的设计，还有一点是构件局部的延伸性标准可与结构整体延性标准进行直接关联，这对结构抗震性能比较时，每个结构与方法之间的关系都有布局，详见表1。

1.4 公路桥梁搁置长度计算方法分析

对于结构来说，地震动作为一种外加的强迫运动，在其物理意义上所涵盖的是地震作用在结构中所引起的一种惯性力量，这与静力荷载极为不同，地震力的大小完全取决于地震动特性，还会取决于结构本身的动力特性，在地震力的强大作用下，因为桥梁自身独有的构造需求受到限制，像是伸缩缝的设置与截面设置等，其结构在反应中较为复杂。

1.4.1 应用反应谱法分析

在遭到地震时，由于地震的力量惯性，桥梁的结构会产生非线性的变形情况，为了能够得到结构非线性反应的相似估值，一般可以采用一个线性系统作为替代系统，来替代非线性系统进行运作，并有效利用标准中的弹性反应谱计算，得出结构内的最大地震反应。

1.4.2 桥墩延性能力静力法分析

通过地震灾害调查可知，强烈的地震作用影响下，多数标准展开的抗震验算并不是完全具有地域强震的能力，但有些结构却没有倒塌，所以并没有产生严重的破坏情况，这些结构之所以能够幸免，是由于结构的初始强度可以进行维持，没有因为非弹性变形的压力施加而快速下降，这就证明了具有很好的延性。所以，当前的抗震设计方法也逐渐进行规范，应用了延性抗震的理论，延性抗震理论与强度理论有所不同，它主要是以结构来判定部位的塑性变形，以此来抵抗地震带来的后续结果，选择选定部位的塑性变形，不但能够消耗地震产生的能力，还可以加深结构的使用作用，延长寿命，减小地震反应。

2 阻尼限位装置分析

2.1 金属阻尼器

有效的消耗掉地震能力是减少桥梁结构在地震中引发破坏与损坏的关键点，采用金属阻尼器能够耗散地震能量。一般而言，在地震的强力作用下，桥梁都会遭受到很大压力，负荷作用极大。在比较其他的阻尼器时，金属阻尼器的优势就在于它的造價低廉，耗能的能力稳定强大，在应用时就能够减小桥梁结构的地震反应，所以在现阶段的公路桥梁建造中被广泛的进行应用和推广。

随着科技技术的发展，新型复合式的金属阻尼器问世，同时制作出来了阻尼器试件，并展开了静力模拟实验。通过实验与相关研究能够表明，桥梁横向金属阻尼器的结构十分简单、力学性能明确、具有良好的滞回耗能特点，在通过合理有效的设计下，能够满足当前公路桥梁结构对抗震性能的基本要求。另外，金属阻尼器有着较好的减震效果，但在地震的作用下，金属阻尼器会引发不可恢复的残余变形，进而导致桥梁上部结构造成不可恢复的残余变形，这会影响公路桥梁结构在地震后的正常应用。所以，桥梁结构内的金属阻尼器在每次突发强震以后都必须进行及时的更换翻新。

2.2 粘弹性阻尼器

粘弹性阻尼器属于一种被动消能的减震控制装置，最主要的就是依靠粘弹性的滞回消能特点来增加结构内的阻尼，其中与速度有关，这也证明其减震效果相比于位移相关的阻尼器要好很多。弹性阻尼器的构造相对简单、性能比较优质，而且造价十分低廉，耐久性也很高。

在实际的工程应用中，粘弹性阻尼器也有着一些不足之处，像是变形能力局限、粘弹性材料容易破损等。在相关粘弹性阻尼器的研究过程中，更多的会考虑土结构相互作用对减震效果的直接性影响，通过研究也能发现，地基越软，土体结构的相互作用降低的减震效果幅度就会增大。所以，基于相互作用影响，实际的系统设计中需要对土体结构的相互作用进行深度的分析与考虑，进而有效对不同场地所适合的阻尼器进行了解，最终达到更加优质的减震效果。

2.3 磁流变阻尼器

磁流变阻尼器属于一种可控性的流体，是智能材料的一种，磁流变液是经由均匀散布和绝缘母液结合在绝缘母液的电介微粒中所组成。一般来说，在没有任何磁场的作用下，磁流变液会符合流体力学的基本特征，拥有相对较低的粘度。如果是在磁场较强的作用下，悬浮的颗粒会因为感应特征而逐渐转变为强磁性，在两种磁极之间相互沿着磁通线集成链的形状，这时磁流变液也会随之转变为粘塑体，呈现出一种类似于固体状态的力学特征，拥有很强的屈服强度，并且屈服强度伴随着会随着磁场内的强度不断增加。

此外，如果以接触单元法进行研究磁流变阻尼器的公路桥梁碰撞的半主动控制的方法，就需要对某公路桥梁展开数据值的模拟分析，通过研究分析可得出，桥梁结构在地震的作用影响下，引发的碰撞会累计增加桥梁结构的绝对速度响应。在安装磁流变阻尼器的半主动控制系统之后，可以明显减少突发地震后产生的结构动力影响，还会有效消除相邻结构之间的碰撞影响，其主动控制力很强，具有明显优势。现阶段，磁流变阻尼器的应用趋势良好，虽然本身存在一些缺陷，但不影响磁流变阻尼器的未来发展趋势。

2.4 液体黏滞阻尼器

液体黏滞阻尼器的基本构造中，是以活塞、油缸缸体、活塞杆、密封件所组成，阻尼器的介质是液态硅油。在活塞缸体内又分为两个液体，活塞上方的小孔与活塞缸体之间的缝隙会促使两个液体内的阻尼介质在活塞力的控制下，相互对应流动，也因此产生阻尼力。

当从变形与受力这两个方面来讨论液体黏滞阻尼器在桥梁工程中应用是否能达到减震的效果，而在相关研究中则表明，液体黏滞阻尼器的不同选择需要考虑参数，参数能够在不明显增加结构内减小位移。在实际工程的应用中，因为液体黏滞阻尼器容易导致漏油等问题，所以需要对液体黏滞阻尼器的密封性展开不定期的检测与维护，如果出现一些破损情况就必须要刚换翻新。

3 限位装置的结构设计

3.1 限位器设计中的参数

为了能够有效研究转变桥梁性能对铰位移的诸多影响，可建立多个分析模型，在这些模型中，原型包含两个桥联、两个桥台与一个中间铰（如图1所示）。此外，在每个原型桥联中都是以两个或者多个桥墩所组成的刚构桥体，在假设上部结构是不能压缩后，桥梁参数就会产生变化。

在这之中，每个模型参数的影响都会通过每次转变后，改变一个现有参数并用在非线性动力时程的分析方法中进行评价。

3.2 限位器装置安装位置

面对一些具有特殊抗震设计的需求的重要公路桥梁或者是位于地震板块幅度较大地区的桥梁，需要应用限位装置对抗震进行加固，这是一种十分优质的方法。在应用限位装置时，最关键的问题就是装置型号选择与位置设计，在选择耗能型的限位装置时，会涉及到限位器的有效空间，并且还会与结构内的连接和位移情况有关。

另外，在简单的支梁桥中，桥墩梁之间相互对应的位移是控制不了引发落梁后的重要参数转变的，所以就必须针对不同公路桥梁的实际情况，选择一些适合桥墩梁之间优质的限位器进行安装，而限位器安装位置的规范在各国之间的标准基本相同。

3.3 限位器结构设计重点

一般来说，桥梁支座的抗震能力无法抵抗L2级别的地震时，就需要对桥梁安装限位器装置，限位器装置与桥梁支座能够一起抵抗L2级别的地震能力，这样联合应用也是有效补充了支座抵抗地震能力时的不足。而对于限位器结构设计的重点来说，必须要遵循和考虑到以下几个方面：

（1）限位器装置与连梁装置会在地震的不同情况下有着不同的设计标准，这也就表明两种装置在作用生效的时间上也各有差别。

（2）限位器装置不能损坏支座经由温度与活荷载引发的移动、转动等相关功能，无法影响到支座的维修与管理，并且限位器与连梁装置在面对地震时必须起到一定的减震作用，两者开始动作的时间与变量各有不同，限位器无法妨碍连梁装置的主要功能。

（3）当桥梁支座突然发生破损时，限位装置则是用来防止上、下部结构产生较大相对变位的，所以设计间隙必须要和支座变形能力相近。

4 公路连梁装置设计与理论分析

4.1 公路连梁装置理论分析

面向抗震设计，人们对于不同地区的地震会按照发生的概率展開不同的分类，在伸缩缝处需要提供足够的支承宽度，这也说明当不应用连梁装置的情况下，也能够有效规避掉落梁的情况发生。

但是，因为地震输入的特性中存在很大的不确定因素，就算是对伸缩缝进行了相对唯一的保守假设，也会在实际情况中因为难以预测或者难以计算而造成周围地基的损坏，甚至是结构构件功能造成严重的损失，地震力与位移超出预期范围后，桥梁就会损坏，这些因素都是难以预测的情况。因此，作为另外一种保护性的方法，公路桥梁就必须要安装连梁装置来保护桥梁安全。

4.2 公路桥梁连梁装置的构造

关于连梁装置的选用，一般需要考虑相邻垂直桥轴方向有可能引发相对移动引发的各种情况，要选择梁间拉索连接装置。当选择钢板式连梁装置时，必须考虑梁处于悬吊状态下钢板所能承受的梁体重量。

在无法设置梁间连接形式的连梁装置时，必须要选择桥轴方向挡块，也或者选择梁下部结构连接的连梁装置。而且，梁与下部结构的连接装置必须要能承受住桥梁向上的地震力，并能够与其它类型的连梁装置共同应用，也无须以其它的方法来防止桥梁竖向移动。面对相邻的结构形式，或者是规模差别较大的桥梁，上部结构的移动量差别有着一定距离，会产生现有固定周期与相位差的巨大影响。面对这样的情况，需要有效规避应用梁间连接的构造，必须选择桥轴方向挡块和梁与下部结构连接的这类装置。

另外，连梁装置的设置需要硬性的考虑到桥台、支撑部位以及桥墩位置的安全检测情况，深入了解这些位置是否进行了定期的维修与管理，或者有没有此类需求。

4.3 公路桥梁连梁装置构造对缓冲橡胶的性能影响

一般来说，带有限制橡胶变形缓冲盒的连梁装置中的缓冲橡胶会在遭受到压力之后引发大范围变形，橡胶也会逐渐充满缓冲盒子的全部空间，如果持续受到压力叠加，橡胶就会一直处于在三向受压的状态中，并会放任状态一直增加不减。而随着压力与能量的不断增大，橡胶不可避免的就会发生塑性变形，因为受到挤压，而从钢盒的缝隙中溢出，所吸收和消耗地震冲击带来的巨大能量，这样钢棒与拉索的拉力也能够持续平稳的增大。

在与传统的连梁装置相互比较下，在同样的环境中造成变形时所承受的荷载会相对大很多，吸收的能力也更高。传统普通型的连梁装置在经过缓冲后，橡胶就会引发变形，而此时只是会保持在一种两向受压的环境中，变形在横向结构中不受任何约束，所以在相同的变形条件下实现与带缓冲盒的连梁装置一致的荷载力量，这就必须要增加缓冲橡胶块的面积。

由上可知，带缓冲盒的连梁装置可以选择较小的缓冲橡胶块，以此实现普通型连梁装置也能有着大橡胶块的能力作用，也可实现连梁装置的工作小型化，最终达到良好的减震与缓冲效果。

此外，在相关研究中表明，结构相互作用下，能明显提高桥梁的减震效果，而橡胶缓冲装置也能够有效的减小桥梁结构之间的挤压与碰撞，不过仍然需要注意，天然的橡胶在耐久性方面的效果并不理想。为了有效克服这样一个应用缺陷，在近年来的发展中研制出了一种全新型的减震装置：“形状记忆合金人工橡胶缓冲器”。在相关研究人员通过缩尺比例1∶30的模型试验对新型的减震装置的减震性能进行模拟与分析时，发现这种新型的减震装置不但能够显著减小连梁之间的碰撞幅度，还可以显著消除碰撞所产生的巨大应力波动。

4.4 缓冲材料对梁间的冲突影响分析

关于梁间碰撞或者是主梁及桥台，在墙体碰撞下都属于桥梁结构较为常见的震害情况，这种碰撞行为一般会引发各类的危险情况，如主梁梁端开裂、伸缩缝挤压等，这类情况都会对桥梁结构造成轻微的破坏，但一些情况下，碰撞还会引发桥梁结构严重的落梁破坏。

为了能够达到防落梁系统缓冲装置的小型化，并在具有小型化的同时拥有良好的吸能性能标准，很多学者对不同材质及形状的组合展开了详细的研究。其中，运用钢型制作了四种钢制缓冲装置进行试验操作，在试验后认为钢制装置和橡胶缓冲材料的相互比较下，有着较高的吸能性能，这也表明了该材料有着良好的缓冲效果。另外也有学者针对蜂窝型与圆筒型这两种构造的橡胶缓冲装置展开了静压缩试验，通过静压缩实验表明，蜂窝型与圆筒型这两种构造的橡胶缓冲装置也具有一定的吸能特性，为了更加深入的了解，对缓冲装置的动态特性进行了研究，并对蜂窝型缓冲装置采取了冲击试验，这样一来就会更为细致的了解到性能对温度的依赖程度和对冲击次数的频率影响，在此基础上提出了参照能量守衡原理展开蜂窝型缓冲装置的设计的规划与设计。

总结缓冲材料对梁间的冲突影响，可以细致的规划为以下四点：

（1）圆筒型缓冲装置和普通缓冲装置相比较下，具有十分显著的效果，最主要的就是体现在对于能量的吸收，从这一点不难看出其缓冲装置的作用较为理想。

（2）在相同的条件下，所设置的缓冲装置与不设置的缓冲装置相比较后，桥墩的塑性变形逐渐减小，并且設置圆筒型缓冲装置时也是最小。

（3）所设置的缓冲装置和不设置缓冲装置相比较后，桥梁之间的相对变位会显著减小，并且每个相邻的最大变位都趋向相同。

（4）普通的缓冲装置的耗能较为有限，在计入耗能与否后，对计算结果的影响其实并不大。

5 结束语

综上所述，公路桥梁的使用对于出行车辆及人员来说有着十分重要的安全影响，在面临各种突发性的地震灾害时，公路桥梁的质量及安全性能将会对桥梁本身起到不同程度的保护作用，而防落梁系统是在发生大地震时，为防止公路桥梁坍塌而设计出来的一种显著减、抗震的优质措施，其中包括着梁搁置长度、连梁装置以及限位器装置这三个部分，在对防落梁系统的设计与研究中必须要深度考虑到这三个装置的重要性作用。目前，在公路桥梁防落梁系统的重要研究与分析中提出了很多关于多种桥梁防碰撞与防落梁的措施与装置，这些措施与装置的提出和规划都是更好的保护公路桥梁在遭受到大地震时能够更好的保障桥梁整体不会被冲击，这也是在全面提升公路桥梁的安全质量，同时也在响应着《公路桥梁抗震设计规范》的全新要求。因此，防落梁系统的设计与研究能够更好的保障公路桥梁质量安全，有效保障人们的生命财产安全。

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